Nya energieffektiva elektroniska enheter kan vara möjliga tack vare forskning som visar den kvantanomala Hall-effekten (QAH) – där en elektrisk ström inte förlorar energi när den flyter längs materialets kanter – över ett bredare spektrum av förhållanden. Ett team av forskare från Penn State har experimentellt insett QAH-effekten i en flerskiktsisolator, huvudsakligen producera en flerfilig motorväg för transport av elektroner som skulle kunna öka hastigheten och effektiviteten för informationsöverföring utan energiförlust.

"Låg energiförbrukning är nyckeln i elektroniska enheter, så det finns mycket forskning om material som kan förbättra effektiviteten i elektronflödet, sa Cui-Zu Chang, biträdande professor i fysik vid Penn State som ledde forskningen. "Att öka antalet elektroner i de flesta metaller resulterar i ett slags trafikstockning eftersom elektroner som rör sig i olika riktningar sprids och stöter bort varandra. Men i QAH-isolatorer, elektronflödet är begränsat till kanterna, och elektroner på ena kanten kan bara gå i en riktning och de på den andra kanten kan bara gå i motsatt riktning, som att dela en väg till en tvåfilig motorväg. I den här studien, vi tillverkade QAH-isolatorer som kunde läggas i lager för att i huvudsak skapa parallella motorvägar ovanpå varandra."

QAH-isolatorer skapas i ett material som kallas en topologisk isolator - ett tunt skikt av film med en tjocklek på bara ett par dussin atomer - som har gjorts magnetiska så att de bara leder ström längs kanterna. För att göra topologiska isolatorer magnetiska, forskare lägger till magnetiska föroreningar i materialet i en process som kallas utspädd magnetisk dopning. I den här studien, forskargruppen i Penn State använde en teknik som kallas molekylär strålepitaxi för att tillverka flerskiktiga topologiska isolatorer, noggrant kontrollera var magnetisk dopning inträffade.

"QAH-isolatorer är av särskilt intresse eftersom de teoretiskt sett inte har någon energiförlust, vilket betyder att elektroner inte förlorar energi i form av värme när elektrisk ström flyter längs kanterna, " sa Chao-Xing Liu, docent i fysik vid Penn State och medförfattare till uppsatsen. "Denna unika egenskap gör QAH-isolatorer till en bra kandidat för användning i kvantdatorer och andra små, snabba elektroniska enheter."

I tidigare studier, QAH-effekten hade experimentellt realiserats endast i material där en viktig kvantitet som kallas Chern-talet hade värdet 1, huvudsakligen med en enda tvåfilig motorväg för elektroner. I den här studien, forskarna staplade omväxlande lager av magnetiska och icke-magnetiska topologiska isolatorer och kunde realisera QAH-tillståndet med Chern-tal upp till 5, huvudsakligen konstruera 5 parallella motorvägar för elektroner på varje sida av materialet för totalt 10 körfält. De presenterar sina resultat i en artikel som visas online den 16 december i tidskriften Natur .

"Vi ser viss avledning av ström vid anslutningspunkter mellan QAH-isolatorer och metalliska elektroder, som uppstår i form av värme, " sa Liu. "Du kan tänka på det som på- och avfarterna på en trafikerad motorväg, där den smala sammanfogningsfilen till lokaltrafik saktar ner dig. Genom att bygga fler parallella motorvägar, fler sammanslagna körfält kan ansluta motorvägarna till lokal trafik, så att den totala hastigheten för hela trafiksystemet kan förbättras avsevärt."

Forskarna fann att genom att öka tjockleken på QAH-isolatorskikten, eller genom att manipulera koncentrationen av magnetisk dopning i QAH-skiktet, de kunde ställa in Chern-numret på provet. "Med andra ord, vi kan ändra antalet körfält på motorvägen med en extern vred, sade Chang. Även vid höga Chern-tal, QAH-isolatorerna hade ingen spridning längs kantkanalerna. Detta ger ett proof-of-concept för enheter som drar fördel av denna avledningsfria kantström."

I den här studien, forskarna tillverkade noggrant separata QAH-isolatorer med olika Chern-nummer. I framtiden, de hoppas kunna utveckla en teknik för att ställa in Chern-numret på ett redan tillverkat prov, för "realtids" kontroll av elektrontrafiken i en informationsmotorväg.

Att översätta de grundläggande framsteg som gjorts i denna studie till en praktisk teknik är fortfarande en utmaning eftersom fenomenen som studeras här är begränsade till mycket låga temperaturer - ungefär en hundradels grad Kelvin över absoluta nollpunkten. Men Chang är optimistisk:"Genom kreativ materialsyntes, vi kan föreställa oss scenarier som kan hjälpa oss att inse dessa effekter under tekniskt relevanta förhållanden."